JP2021195489A - 高熱伝導性グリース組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に用いられる熱伝導性フィラーは、平均粒子径が0.2〜100μmであり、熱伝導率が20W/mK以上である等方性の高熱伝導性粒子と、該高熱伝導性粒子の平均粒子径の0.01〜5倍の平均粒子径を有する非多孔性の六方晶窒化ホウ素粒子と、多孔性窒化ホウ素とを含有し、前記六方晶窒化ホウ素粒子及び前記多孔性窒化ホウ素により形成される窒化ホウ素相の空隙率が10〜50vol%である焼結体の粉砕物からなるものである。また、この熱伝導性フィラーにおいては、前記粉砕物中の全ての前記高熱伝導性粒子のうちの個数基準で40%以上の粒子が、該高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に前記多孔性窒化ホウ素を介して前記六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を形成している。
このような熱伝導性フィラーは、以下の方法よって製造することができる。すなわち、平均粒子径が0.2〜100μmであり、熱伝導率が20W/mK以上である等方性の高熱伝導性粉末と、該高熱伝導性粉末の平均粒子径の0.01〜5倍の平均粒子径を有する非多孔性の六方晶窒化ホウ素粉末と、ホウ酸錯体との混合物を20MPa以上の圧力で圧縮成形し〔第一の工程〕、前記第一の工程で得られた圧縮成形体を不活性ガス雰囲気下、1800〜2200℃の温度で焼成し〔第二の工程〕、前記第二の工程で得られた圧縮焼結体を粉砕する〔第三の工程〕ことにより、高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に多孔性窒化ホウ素を介して六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を含有する熱伝導性フィラーを得ることができる。
第一の工程においては、先ず、高熱伝導性粉末と六方晶窒化ホウ素粉末とホウ酸錯体との混合物を調製する。ここで用いる高熱伝導性粉末は、前記熱伝導性フィラーにおける高熱伝導性粒子となる原料粉末であり、その平均粒子径は0.2〜100μmであり、0.3〜95μmであることが好ましく、0.5〜90μmであることがより好ましく、0.5〜50μmであることが更に好ましく、1〜20μmであることが特に好ましい。また、ここで用いる六方晶窒化ホウ素粉末は、前記熱伝導性フィラーにおける六方晶窒化ホウ素粒子となる原料粉末であり、その平均粒子径は組合せて用いられる前記高熱伝導性粉末の平均粒子径の0.01〜5倍であり、0.03〜3倍であることが好ましく、0.05〜1倍であることがより好ましい。
第二の工程においては、前記第一の工程で得られた圧縮成形体を不活性ガス雰囲気下で焼成する。これにより、前記圧縮成形体中の前記ホウ酸錯体が窒化ホウ素に変換されるとともに、酸素や炭素化合物が脱離するため、前記窒化ホウ素内に空隙が形成され、多孔性の窒化ホウ素が得られる。
第三の工程においては、前記第二の工程で得られた圧縮焼結体を粉砕する。このとき、前記圧縮成形体の多孔性窒化ホウ素が選択的に破断されるため、前記高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に前記多孔性窒化ホウ素を介して前記六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子が形成され、この複合粒子を多く含有する熱伝導性フィラーが得られる。
第四の工程においては、前記第三の工程で得られた熱伝導性フィラーとシラザン系カップリング剤又はチタネート系カップリング剤とを反応させる。このとき、前記熱伝導性フィラー中の前記六方晶窒化ホウ素粒子とシラザン系カップリング剤又はチタネート系カップリング剤とが反応することによって、前記熱伝導性フィラーの表面がアルキル化され、マトリックスオイル中での前記熱伝導性フィラーの凝集を抑制することができ、グリース組成物の流動性が向上するため、熱抵抗が更に低減された、熱伝導性に更に優れたグリース組成物を得ることが可能となる。
本発明に用いられる酸化亜鉛粒子は、熱伝導性に優れた粒子であり、本発明のグリース組成物において、多くの熱伝導パスを形成する。また、この酸化亜鉛粒子は、前記熱伝導性フィラー中の前記六方晶窒化ホウ素粒子との間の粒子間熱抵抗(界面熱抵抗)が小さいため、得られるグリース組成物の熱伝導性が向上する。一方、酸化亜鉛粒子の代わりに、銀粒子やアルミナ粒子を用いると、得られるグリース組成物中には多くの熱伝導パスが形成されるものの、これらの粒子と前記熱伝導性フィラー中の前記六方晶窒化ホウ素粒子との間の粒子間熱抵抗(界面熱抵抗)が大きいため、得られるグリース組成物の熱伝導性が十分に向上しない。
本発明に用いられるマトリックスオイルとしては、前記熱伝導性フィラー及び前記酸化亜鉛粒子を均一に分散できるものであれば特に制限はないが、絶縁性のオイルが好ましく、例えば、シリコーンオイル、変性シリコーンオイル、フルオロエーテルオイル、鉱物油、動植物性天然油、パラフィン、合成油等が挙げられ、沸点が200℃以上の、シリコーンオイル、変性シリコーンオイル、パラフィン、合成油が好ましい。これらのオイルは1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。
本発明のグリース組成物においては、粒子間の転がりが促進され、グリース組成物の粘度が低減されるという観点から、真球状ナノ粒子を含んでいてもよい。また、このような真球状ナノ粒子は、表面処理が施されていてもよい。なお、前記グリース組成物に真球状ナノ粒子が含まれていても、熱抵抗の低減効果は維持され、熱伝導性に優れたグリース組成物を得ることができる。
本発明のグリース組成物においては、前記マトリックスオイル中に前記熱伝導性フィラー、前記酸化亜鉛粒子、及び必要に応じて真球状ナノ粒子が分散している。
95℃に加熱した800mlの水に、ホウ酸24gを添加し、攪拌することにより溶解させた後、さらに、メラミン16gを添加し、攪拌することにより溶解させた。加熱攪拌を10分間継続してホウ酸とメラミンとを反応させ、得られた反応液を水冷した後、室温で12時間放置した。その後、析出した結晶を濾過により回収し、40℃で真空乾燥して、ホウ酸メラミン錯体31.5gを得た。
先ず、得られる圧縮焼結体の組成比が窒化アルミニウム粒子(AlN粒子)/窒化ホウ素粒子(BN粒子)/多孔性窒化ホウ素(多孔性BN)=70vol%/15vol%/15vol%となるように、ポリエチレン製ポットに、等方性の高熱伝導性粒子であるAlN粉末(古河電子株式会社製「高熱伝導AlNフィラーFAN−f05」、平均粒子径5μm、熱伝導率170W/mK)22.8g、非多孔性の六方晶BN粉末(スリーエム社製「3MTM窒化ホウ素クーリングフィラー Platelets001」、平均粒子径1μm)3.40g及び合成例1で得られたホウ酸メラミン錯体17.01gを投入し、さらに、ジルコニアボール(3mm径)500g及びアセトン165gを投入して、ボールミルにより400rpmの条件で12時間混合した。その後、濾過によりジルコニアボールを取り除き、さらに、エバポレーション及び真空乾燥によりアセトンを完全に除去した。得られた混合物を294MPaの静水圧下で圧縮した後、窒素雰囲気下、1800℃で1時間焼成して圧縮焼結体を得た。この圧縮焼結体を室温まで冷却した後、下記の方法に従って窒化ホウ素相の空隙率を求めた。その結果を表1に示す。
得られた圧縮焼結体から電子顕微鏡観察用の断面を切出し、この断面において無作為に抽出した20箇所の測定領域(縦60μm、横40μm)に、研磨剤としてダイヤモンドサスペンション及びコロイダルシリカを用いて研磨機(ビューラー社製「ミニメットTM1000」)により機械研磨を施した後、小型プラズマ装置(ヤマト科学株式会社製「PR300」)を用いて120Wで3分間の酸素プラズマエッチングを施し、さらに、オスミウムコーターを用いてオスミウムコーティングを施した。得られた測定用断面を走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「NB−5000」)を用いて観察した。
BN相の空隙率[vol%]=BN相内の空隙に相当する領域の合計面積/{BN相内の空隙に相当する領域の合計面積+BN相に相当する領域の合計面積}×100
により各測定領域におけるBN相の空隙率を算出し、20箇所の測定領域におけるBN相の空隙率の平均値を求めた。
得られた熱伝導性フィラーを走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「NB−5000」)を用いて観察した。得られたSEM像において、明度と形状に基づいて、
(i)AlN粒子
(ii)表面の少なくとも一部がBN粒子で被覆されているAlN粒子(AlN/BN複合粒子)
を抽出し、視野内の(i)AlN粒子の数及び(ii)AlN/BN複合粒子の数をそれぞれ求め、視野内の全てのAlN粒子のうちのBN粒子で被覆されているAlN粒子の割合{(ii)/[(i)+(ii)]}を算出した。この割合を10視野について求め、その平均値を求めた。
得られた熱伝導性フィラーをエタノールに分散させ、レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「MT3300EX」)を用いて、レーザ回折・散乱法により前記熱伝導性フィラーの体積基準の粒径分布を測定した。
平均粒子径が5μmの前記AlN粉末(古河電子株式会社製「高熱伝導AlNフィラーFAN−f05」)の代わりに等方性の高熱伝導性粒子である平均粒子径が1μmのAlN粉末(株式会社トクヤマ製「高純度窒化アルミニウム粉末・顆粒 Eグレード」、熱伝導率180W/mK)を用い、得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/10vol%/10vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉末1.98g及び前記ホウ酸メラミン錯体9.98gを混合した以外は調製例1と同様にして圧縮成形体を調製し、さらに、前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製した。調製例1と同様にして、窒化ホウ素相の空隙率、前記熱伝導性フィラー中のAlN/BN複合粒子の割合、前記熱伝導性フィラーの最大粒子径及び平均粒子径を求めた。これらの結果を表1に示す。また、調製例1と同様にして、表面がHMDSでメチル化された熱伝導性フィラーBを得た。
調製例1で得られた、表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラーA362mg、真球状シリカナノ粒子(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンQSB−170」、平均粒子径:170nm)3.6mg、酸化亜鉛グリース(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンG−776」、酸化亜鉛粒子含有量:40vol%、酸化亜鉛粒子の平均粒子径:0.8μm)359mg及びシリコーンオイル(東レ・ダウコーニング株式会社製「SRX310」)177mgを混合し、得られた混合物を、自転・公転ミキサー(株式会社シンキー製「あわとり練太郎ARV−310」)を用いて1200rpmで2分間、さらに2000rpmで2分間攪拌してグリース組成物(熱伝導性フィラーA:28vol%、酸化亜鉛粒子:12vol%)を得た。
調製例1で得られた、表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラーA289mg、調製例2で得られた、表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラーB72mg、真球状シリカナノ粒子(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンQSB−170」、平均粒子径:170nm)3.6mgを乾式混合して、前記2種類の熱伝導性フィラーの表面に真球状シリカナノ粒子を吸着させた。表面に真球状シリカナノ粒子が吸着した前記2種類の熱伝導性フィラーと酸化亜鉛グリース(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンG−776」、酸化亜鉛粒子含有量:40vol%、酸化亜鉛粒子の平均粒子径:0.8μm)359mg及びシリコーンオイル(東レ・ダウコーニング株式会社製「SRX310」)177mgを混合し、得られた混合物を実施例1と同様に撹拌してグリース組成物(熱伝導性フィラーA:22.4vol%、熱伝導性フィラーB:5.6vol%、酸化亜鉛粒子:12vol%)を得た。
前記熱伝導性フィラーAの量を350mgに、前記熱伝導性フィラーBの量を39mgに、前記真球状シリカナノ粒子の量を3.9mgに、前記酸化亜鉛グリースの量を386mgに、前記シリコーンオイルの量を159mgに変更した以外は実施例2と同様に撹拌してグリース組成物(熱伝導性フィラーA:27.1vol%、熱伝導性フィラーB:3vol%、酸化亜鉛粒子:12.9vol%)を得た。
グリース組成物として、酸化亜鉛グリース(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンG−776」、酸化亜鉛粒子含有量:40vol%、酸化亜鉛粒子の平均粒子径:0.8μm)をそのまま使用した。
調製例1で得られた、表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラーA500mg、真球状シリカナノ粒子(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンQSB−170」、平均粒子径:170nm)5mgを乾式混合して、前記熱伝導性フィラーAの表面に真球状シリカナノ粒子を吸着させた。表面に真球状シリカナノ粒子が吸着した前記熱伝導性フィラーA及びシリコーンオイル(東レ・ダウコーニング株式会社製「SRX310」)253mgを混合し、得られた混合物を実施例1と同様に撹拌してグリース組成物(熱伝導性フィラーA:40vol%)を得た。
高熱伝導グリース(TIMTRONICS社製「Silver Ice 710NS」)に遠心分離(4800rpm、1分間)とトルエン洗浄を施してフィラーを分離回収し、得られたフィラーを真空乾燥した。このフィラーのX線回折パターンを測定したところ、前記フィラーが銀フィラーであることが確認された。また、前記銀フィラーの平均粒子径は2.5μmであった。さらに、銀フィラーの質量分率、銀の密度及びオイルの密度(1g/cm3とした)から、前記グリース中の銀フィラーの体積分率を求めたところ、23vol%であった。この銀フィラーを含有するグリースをグリース組成物としてそのまま使用した。
調製例1で得られた、表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラーA245mg、調製例2で得られた、表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラーB63mg、真球状シリカナノ粒子(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンQSB−170」、平均粒子径:170nm)3.0mgを乾式混合して、前記2種類の熱伝導性フィラーの表面に真球状シリカナノ粒子を吸着させた。表面に真球状シリカナノ粒子が吸着した前記2種類の熱伝導性フィラーと前記銀フィラー含有グリース(TIMTRONICS社製「Silver Ice 710NS」、銀フィラーの平均粒子径:2.5μm、銀フィラー含有量:23vol%)613mg及びシリコーンオイル(東レ・ダウコーニング株式会社製「SRX310」)126mgを混合し、得られた混合物を実施例1と同様に撹拌してグリース組成物(熱伝導性フィラーA:22.4vol%、熱伝導性フィラーB:5.6vol%、銀フィラー:12vol%)を得た。
グリース(MOMENTIVE社製「SilCool TIG400BX」)に遠心分離(4800rpm、1分間)とトルエン洗浄を施してフィラーを分離回収し、得られたフィラーを真空乾燥した。このフィラーのX線回折パターンを測定したところ、前記フィラーがアルミナフィラーであることが確認された。また、前記アルミナフィラーの平均粒子径は7.3μmであった。さらに、アルミナフィラーの質量分率、アルミナの密度及びオイルの密度(1g/cm3とした)から、前記グリース中のアルミナフィラーの体積分率を求めたところ、87.8vol%であった。このアルミナフィラーを含有するグリースをグリース組成物としてそのまま使用した。
調製例1で得られた、表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラーA245mg、調製例2で得られた、表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラーB63mg、真球状シリカナノ粒子(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンQSB−170」、平均粒子径:170nm)3.0mgを乾式混合して、前記2種類の熱伝導性フィラーの表面に真球状シリカナノ粒子を吸着させた。表面に真球状シリカナノ粒子が吸着した前記2種類の熱伝導性フィラーと前記アルミナ含有グリース(MOMENTIVE社製「SilCool TIG400BX」、アルミナフィラーの平均粒子径:7.3μm、アルミナフィラー含有量:87.8vol%)198mg及びシリコーンオイル(東レ・ダウコーニング株式会社製「SRX310」)253mgを混合し、得られた混合物を実施例1と同様に撹拌してグリース組成物(熱伝導性フィラーA:22.4vol%、熱伝導性フィラーB:5.6vol%、銀フィラー:12vol%)を得た。
実施例及び比較例で得られたグリース組成物(約4μl)を、直径14mm、厚さ1mmのセラミック板で挟持して積層板を作製し、この積層板に3MPaの圧力を印加した状態でキセノンフラッシュアナライザー(NETZSCH社製「LFA447 NanoFlash」)を用いて前記積層板の熱拡散率を測定した。また、マイクロメーターを用いて前記積層板の厚さを測定した。得られた前記積層板の熱拡散率及び厚さ、前記セラミック板の熱拡散率、密度、比熱、厚さ、並びにグリース組成物の密度、比熱を用いてグリース組成物の熱抵抗率を算出した。また、添加粒子(酸化亜鉛粒子、銀フィラー又はアルミナフィラー)のみを含有するグリース組成物(比較例1、3、5)に対する各グリース組成物の熱抵抗比を求めた。これらの結果を表2に示す。
Claims (6)
- 平均粒子径が0.2〜100μmであり、熱伝導率が20W/mK以上である等方性の高熱伝導性粒子と、該高熱伝導性粒子の平均粒子径の0.01〜5倍の平均粒子径を有する非多孔性の六方晶窒化ホウ素粒子と、多孔性窒化ホウ素とを含有し、前記六方晶窒化ホウ素粒子及び前記多孔性窒化ホウ素により形成される窒化ホウ素相の空隙率が10〜50vol%である焼結体の粉砕物からなり、前記粉砕物中の全ての前記高熱伝導性粒子のうちの個数基準で40%以上の粒子が、該高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に前記多孔性窒化ホウ素を介して前記六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を形成している熱伝導性フィラー、
酸化亜鉛粒子、及び
マトリックスオイルを含有し、
前記熱伝導性フィラー及び酸化亜鉛粒子が前記マトリックスオイル中に分散していることを特徴とする高熱伝導性グリース組成物。 - 前記高熱伝導性粒子が窒化アルミニウム粒子、窒化ケイ素粒子、立方晶窒化ホウ素粒子、炭化ケイ素粒子、及びダイヤモンド粒子からなる群から選択される少なくとも1種の粒子であることを特徴とする請求項1に記載の高熱伝導性グリース組成物。
- 前記熱伝導性フィラーが二峰性以上の粒度分布を有するものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の高熱伝導性グリース組成物。
- 前記酸化亜鉛粒子の平均粒子径が0.1〜1μmであることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の高熱伝導性グリース組成物。
- 前記マトリックスオイルがシリコーンオイル、変性シリコーンオイル、フルオロエーテルオイル、鉱物油、動植物性天然油、パラフィン及び合成油からなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載の高熱伝導性グリース組成物。
- 真球状ナノ粒子を更に含有することを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載の高熱伝導性グリース組成物。
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